高松

（石家莊中大力諾太陽(yáng)能工程有限公司 河北石家莊 050000）

太陽(yáng)能儲(chǔ)熱材料選擇及研發(fā)現(xiàn)狀

高松

（石家莊中大力諾太陽(yáng)能工程有限公司 河北石家莊 050000）

改革開放以來(lái)我國(guó)各行各業(yè)飛速發(fā)展，全國(guó)人民日常生活水平大幅度提高，同時(shí)造成的能源不足和環(huán)境污染等問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，如何解決能源問(wèn)題，對(duì)于可再生能源進(jìn)行合理的開發(fā)應(yīng)用是研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)于太陽(yáng)能儲(chǔ)熱材料選擇及研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的專業(yè)分析，為相關(guān)專業(yè)人士提供了參考。

太陽(yáng)能；儲(chǔ)熱；材料；選擇；研發(fā)

我國(guó)的太陽(yáng)能開發(fā)前景非常廣闊，合理的利用太陽(yáng)能是日后改變傳統(tǒng)能源應(yīng)用的重要方式。儲(chǔ)能材料的性質(zhì)好壞直接影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)投入和使用效果，科學(xué)合理的選擇相變儲(chǔ)熱材料是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)中的關(guān)鍵。優(yōu)質(zhì)材料的應(yīng)用將對(duì)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，對(duì)于材料的選擇問(wèn)題進(jìn)行深入研究是保證行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的前提。

1 相變儲(chǔ)熱材料的篩選原則

應(yīng)用與儲(chǔ)存潛熱的相變材料，選擇的時(shí)候需要考慮多種的因素，包括材料的性能、工作溫度、存儲(chǔ)容量、傳熱流體性能、換熱器的設(shè)計(jì)等等。應(yīng)用的材料各個(gè)方面的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)熱量的高低多少。

1.1 滿足熱學(xué)性能要求

1.1.1 合適的相變溫度

如此才能夠讓材料的理想工作溫度和應(yīng)用的溫度達(dá)到匹配，進(jìn)一步處在最佳的工作狀態(tài)。

1.1.2 較大的相變潛熱和高比熱容

熱容高意味著一樣的溫差下能夠儲(chǔ)存更多的顯熱，所以選擇材料的時(shí)候必須總儲(chǔ)熱能大，儲(chǔ)熱密度高。

1.1.3 較高的導(dǎo)熱系數(shù)

選擇材料的導(dǎo)熱性能比較好，吸收相同的熱量或是釋放相同的熱量需要的溫度梯度比較小，提熱或是儲(chǔ)熱的速度快，工作效率更高。

1.1.4 一致熔融

材料相變前后不同相態(tài)的化學(xué)組成保持一致性，能夠避免因?yàn)楣桃簝上嗟拿芏炔煌纬傻姆蛛x現(xiàn)象。

1.2 滿足物理性能需要

（1）材料的變相過(guò)程應(yīng)該完全的可逆并且和溫度相關(guān)，能夠保持良好的相平衡。

（2）材料的蒸汽壓比較低，工作溫度下對(duì)應(yīng)的蒸汽壓力比較低，這樣材料不容易揮發(fā)造成損失。

（3）密度大，相變潛熱和比熱容差不多的類似材料，密度大的單位體積面積內(nèi)的儲(chǔ)熱量比較高，能夠降低容器的成本。

（4）材料相變過(guò)程中的體積變化應(yīng)該比較小，體積膨脹率比較小就是允許系統(tǒng)儲(chǔ)熱換熱器的形式簡(jiǎn)單化，能夠保證傳熱速率。

1.3 滿足化學(xué)性能要求

凝固時(shí)候過(guò)冷度盡可能小，熔化時(shí)候無(wú)過(guò)飽和，并且結(jié)晶快。

1.4 滿足化學(xué)性能要求

1.4.1 化學(xué)穩(wěn)定性好

材料在經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的放熱和吸熱后不容易發(fā)生副反應(yīng)或是熔析，不會(huì)輕易的發(fā)生化學(xué)分解，長(zhǎng)期的使用后儲(chǔ)熱能力衰減小，應(yīng)用的可靠性強(qiáng)、可行性高，整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命有一定的保障。

1.4.2 腐蝕性小，抗氧化

在高溫條件下材料的腐蝕性比較小，能夠和多種材料具有相容性，容器材料的選擇范圍比較廣，能夠降低容器的成本。

1.4.3 滿足綠色化學(xué)的要求，能夠無(wú)毒害、無(wú)污染、不易燃燒、不易爆炸、使用安全。

1.5 滿足經(jīng)濟(jì)性能

選擇的材料應(yīng)該容易獲得，成本投入比較低，具有工業(yè)的效用性。

1.6 滿足技能性要求

選擇的材料應(yīng)該在技術(shù)上盡可能的可靠、緊湊、高效、適用。

實(shí)際的研發(fā)過(guò)程中難以保證同時(shí)滿足所有的要求，這種理想材料目前也是不存在的，所以在選擇過(guò)程中應(yīng)該先重視相變的溫度、相變的潛熱高、并且價(jià)格便宜，在此基礎(chǔ)上考慮其他的影響因素，同時(shí)使用技術(shù)的手段進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，例如添加增稠劑或是成核劑改善過(guò)冷問(wèn)題，使用強(qiáng)化傳熱方式改善傳熱不良問(wèn)題。

2 高溫相變儲(chǔ)熱材料

2.1 高溫熔鹽

高溫熔鹽具體是指碳酸鹽、氯化物、硝酸鹽、或是結(jié)合的共同晶體，它們的優(yōu)勢(shì)是比熱容高、使用溫度高、熱穩(wěn)定性高、對(duì)流傳熱系數(shù)高、價(jià)格低、飽和蒸汽壓低、黏度低，同時(shí)具有變相潛熱，所以儲(chǔ)熱性質(zhì)或是傳熱形式都不錯(cuò)，適合應(yīng)用在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中。從經(jīng)濟(jì)發(fā)面來(lái)看一般的選擇順序是鋰鹽、鉀鹽、鈉鹽、鈣鹽。實(shí)際應(yīng)用中單一類型的鹽應(yīng)用比較少，通常將二元或是三元的無(wú)機(jī)鹽混合形成熔鹽。如此處理優(yōu)勢(shì)是經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整既可以得到需要的熔點(diǎn)，使用范圍更加的廣泛，比較低的熔化溫度下能夠獲得高的能量密度，或是將儲(chǔ)熱效果好的高價(jià)格物質(zhì)和其他物質(zhì)混合使用節(jié)約成本，整體的熱容量還能夠保持不變。

為了能夠提升熔鹽的導(dǎo)熱系數(shù)，一種解決的方法是采用高溫熔鹽的符合型材料，其能夠?qū)⒏邷厝埯}的高相變潛熱和添加劑材料的高導(dǎo)熱系數(shù)更好的結(jié)合到一起，提升材料的儲(chǔ)熱性能。Acem對(duì)于膨脹石墨以及泡沫金屬和高溫熔鹽復(fù)合提升對(duì)變儲(chǔ)能可行性進(jìn)行了研究；Shin等人對(duì)于二氧化硅納米顆粒如何提升熔鹽的比熱進(jìn)行了探索；雖然多年來(lái)在傳熱技術(shù)的強(qiáng)化方面已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是目前的研究方向主要是中低溫應(yīng)用領(lǐng)域，高溫相變材料熱物性強(qiáng)化的研究力度明顯不夠，并且研究工作也缺乏系統(tǒng)性。

2.2 金屬合金

金屬合金材料的導(dǎo)熱系統(tǒng)是其他相變儲(chǔ)熱材料的幾十倍甚至是幾百倍，并且其具有熱循環(huán)穩(wěn)定性好、儲(chǔ)熱密度大等多種優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮?。目前的合金材料中鋁基合金材料的相變溫度最為適合，其的腐蝕性也比較低，是金屬合金相變儲(chǔ)熱材料研究中的焦點(diǎn)，未來(lái)的太陽(yáng)能熱發(fā)電高溫儲(chǔ)熱中具有好的前景。多年來(lái)世界各國(guó)不斷對(duì)于金屬合金相變材料進(jìn)行研究，已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，然而在儲(chǔ)熱領(lǐng)域的研究還不足。金屬合金的儲(chǔ)熱能力效果比較好、導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)大，可是由于其高溫條件下液態(tài)的腐蝕性強(qiáng)，和容器材料的相容性非常差，是限制其在高溫相變儲(chǔ)熱領(lǐng)域?qū)嶋H發(fā)展的重要因素。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)規(guī)律性差、系統(tǒng)性不好，整體比較零散，未來(lái)加深對(duì)于其相容性問(wèn)題的研究是必然趨勢(shì)，努力找到更加合理的封裝方式，實(shí)現(xiàn)金屬合金材料的廣泛應(yīng)用。

總而言之，儲(chǔ)熱材料的選擇和研究工作是發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際狀況分析發(fā)現(xiàn)，目前的研究工作還不夠合理，未來(lái)應(yīng)該對(duì)于現(xiàn)有的常用材料進(jìn)行分析比較，加大研究設(shè)計(jì)中材料選擇的投入力度，結(jié)合考慮需要注意的問(wèn)題，選擇相對(duì)綜合性能較高的材料，保證行業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展。

[1]魏高.太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料選擇及研究現(xiàn)狀[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014.

[2]薛麗娜.太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料選擇及研究現(xiàn)狀[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013.

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1004-7344（2016）12-0298-01

2016-4-10